CN113661290A - 使用金属螯合物和合成阳离子聚合物提高纸强度 - Google Patents

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Abstract

使用金属螯合物和有机聚合物制备具有提高强度的纸的方法以及提高纸强度的方法，以及通过这些方法制得的强度提高的纸。

Description

使用金属螯合物和合成阳离子聚合物提高纸强度
发明人：克莱顿·坎贝尔，陈君华和党政
优先权
本申请要求2019年4月2日提交的美国临时申请号62/828009以及2019年5月29日提交的芬兰国家申请号FI 20195452的优先权，这两者的内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本发明涉及具有提高强度的纸、制备具有提高强度的纸的方法以及使用金属螯合物和至少一种有机合成聚合物提高纸强度的方法。
背景技术
已开发出各种化学品和纤维处理构思，以满足每种情况下的特定强度要求。虽然一些单独的化学品和纤维处理构思已被证明可提供有针对性的纸强度规格，但其中许多仅在用于某些纤维原料和/或在有限的工艺条件下才表现良好，而对于其它纤维原料或工艺条件仅令人满意或根本不令人满意。一些提供强度的化学品和纤维处理构思也被发现在其它方面产生负面影响，例如损害在线或压缩部(press section)的脱水速率，导致沉积，干扰纤维悬浮液的ζ电位等。
通常，在造纸工艺中将增加强度的聚合物添加到纤维原料中。强度聚合物通常以相对较高的剂量添加以实现所需的强度水平，因此，当使用阳离子强度聚合物时，存在纤维原料过度阳离子化的风险，这可能会导致诸如过度发泡等问题，而已知阴离子强度聚合物(例如阴离子聚丙烯酰胺，羧甲基纤维素)会减慢脱水速率。普通强度聚合物会受到恶劣工艺条件的负面影响，尤其是受到增加的电导率、碱度、pH值、亚硫酸盐、氧化性化学物质的不利影响。一般来说，在绝大多数情况下湿拉伸的改善是通过PAE实现的，并且很少有替代化学物质可用于湿拉伸改善。
此外，难以通过向纤维原料中添加强度聚合物来实现受控的纸强度提高。此外，通过向纤维原料中添加高剂量的强度聚合物，纸的柔软度会随着纸强度的增加而显著降低。
由于环保意识和法规的提高，造纸工艺变得越来越封闭，使用更少的淡水，从而导致纤维悬浮液中的电导率或总离子强度(即盐浓度)增加。同时，作为造纸中纤维来源的回收纤维含量有所增加。从回收纤维材料获得的纤维可能已经过多轮再生，从而降低了纤维的内在强度和诸如纤维长度等一般品质，从而降低了纸的最终使用性能，特别是强度。降低的内在强度会增加纸幅断裂的风险，从而对生产力和整体流程效率产生负面影响。补偿强度损失的一种常见措施是提高纤维材料的精炼水平。增加精炼的目标是通过增加官能区域(功能面积，functional area)而暴露更多羧基来“发展”，从而增加纤维与其它纤维素纤维和纤维素细粒产生更多氢键的能力，并从而增加强度。此操作导致加拿大标准游离度(Canadian Standard Freeness，CSF)降低，这是衡量纸浆排水的量度。较低的CSF减慢排水速率，并且弱回收纤维对额外精制的响应有限。回收纤维的纤维长度在有限量的精炼后会急剧下降，导致各种强度性能下降。
除了低品质的纤维外，回收纤维材料可能会在造纸工艺中引入大量有害物质。这可能包括源自涂料颜料、淀粉、施胶剂、溶解物质和胶体物质的灰分。这些带入造纸工艺的物质可能会进一步增加纤维悬浮液的整体胶体负载和电导率，并在工艺水回路中积累。这些材料会造成堵塞和沉积在设备和生产的纸上。
已经观察到，当用于具有高导电性以及溶解性和胶态物质的纤维悬浮液时，常规聚合物添加剂的性能会降低。聚合物性能的损失可能导致强度、排水、纤维和纤维细粒的保留以及压缩脱水的降低，这可能会增加纸幅断裂、产量和纸的干燥需求，从而限制纸机生产率。虽然这种纤维悬浮液和条件需要更高剂量的聚合物添加剂以达到所需的性能，但增加剂量并不能完全解决问题。高分子量聚合物的剂量不能无限增加，最终会使纤维悬浮液过度絮凝，这会降低压缩脱水速率并导致成型不良，从而分别降低生产率和强度。增加阳离子聚合物的剂量可能导致纤维原料过度阳离子化，导致例如起泡过多。
需要新的造纸方法以提供保持或改善的纸属性如强度，同时保持或改善造纸机的操作。还希望提供更环保的纸生产方式。
需要尽量减少上述问题并改善纸的整体生产。因此，许多造纸生产商仍然非常需要更具成本效益、易于处理和灵活的强度添加剂和系统。
发明内容
本发明的一个目的是为现有技术中遇到的问题提供解决方案。
本发明的一个目的是减少或甚至避免常规强度聚合物的缺点。
本发明的一个目的是提供一种提高纸强度的方法，包含在造纸工艺中加入金属螯合物。
本发明的一个目的是提供一种提高纸强度的方法，包含在造纸工艺中加入金属螯合物和至少一种合成有机聚合物。
本发明的一个目的是提供一种强度提高的纸产品，该纸产品是在造纸工艺中用包含金属螯合物的方法制成的。
本发明的一个目的是提供一种强度提高的纸产品，包含在造纸工艺中加入金属螯合物和至少一种合成有机聚合物。
本发明的又一个目的是提供一种在不显著降低纸柔软度的情况下提高纸强度的方法。
本发明的一个目的是提供一种提高纸强度的方法，包含在造纸工艺中，将金属螯合物添加到造纸工艺湿部原料(paper process wet end stock)和/或造纸机湿纸幅(paper machine wet web)和/或干片材中。
本发明的一个目的是提供一种提高纸强度的方法，包含在造纸工艺中，将金属螯合物和有机合成聚合物添加到造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材中。
使用本公开的方法和产品，可以改善纸的多种强度相关属性，不只是相对容易贡献的机器方向(machine direction)拉伸强度，而且还有更难改善的至少一种其它强度属性，诸如湿拉伸、横向(cross direction)拉伸强度、爆裂、Concora、环压、STFI、湿/干、衰弱(劣化，decay)等。
附图说明
下列附图构成本说明书的一部分，并被包括以进一步说明本发明的某些方面。通过参考附图并结合本文给出的说明书实施方式的详细描述，可以更好地理解本发明。
图1.薄纸(棉纸，tissue paper)制造工艺示意图。
具体实施方式
本公开涉及用于提高纸强度的方法和用于生产具有提高强度的纸的方法以及通过本文公开的方法制成的强度提高的纸，所述方法包含在造纸工艺中加入金属螯合物，优选锆或钛金属螯合物，和至少一种合成有机聚合物。
在典型的造纸工艺中，用白水或其它循环水将具有相对较高稠度的纤维素纤维悬浮液，即所谓的浓浆(thick stock)稀释成稀浆(thin stock)。通常，在用白水稀释成稀浆之前，稠度高于20g/l的纤维悬浮液称为浓浆。然后将稀浆输送到流浆箱，在移动的筛网(通常称为机器网)上排水以形成湿纸幅或其单个层，任选地将该单个层与同时形成的其它层组合，然后将湿纸幅分别在压缩部和干燥部中进行压制和干燥，以形成干纸。已知将化学添加剂添加到湿部纤维原料中以增加纤维和其它物质如填料的保留，并且还用于提高机器网和压缩部中的脱水速率。
湿部(湿端，wet end)纤维原料可以包含纤维素纤维、非纤维素纤维或其任意组合。纤维素纤维是指任何纤维素或木质纤维素纤维，其分离自例如木材，包括软木(SW)和硬木(HW)；竹；棉花；亚麻；麻；黄麻；苎麻；洋麻；蕉麻；或剑麻，或包含再生纤维素的纤维，例如人造丝、莱赛尔纤维、粘胶纤维。典型地，湿部纤维原料包含通过化学制浆如Kraft制浆(硫酸盐制浆)或亚硫酸盐制浆获得的纤维素纤维，通过机械制浆例如热机械制浆(TMP)、加压磨木制浆(PGW)、碱性过氧化物机械制浆(APMP)、石磨木制浆(SGW)或精炼机机械制浆(RMP)获得的纤维素纤维，通过半化学制浆如化学热机械制浆(CTMP)获得的纤维素纤维，或通过有机溶剂制浆获得的纤维素纤维。湿部纤维原料可包含漂白或未漂白的纤维素纤维。在某些实施方式中，湿部纤维原料包含原生纤维(virgin fibers)。在某些实施方式中，湿部纤维原料包含回收纤维材料，优选基于湿部原料中的纤维(干/干)，其量为至少50重量％，更优选至少80重量％。在某些进一步实施方式中，回收纤维材料包括旧瓦楞纸板、混合办公废纸、双衬牛皮纸、废弃活性污泥(WAS)；回用纤维污泥(reclaimed fiber sludge)，或其任何混合物。旧瓦楞纸板(OCC)是指包含具有测试衬里、黄麻或牛皮纸衬里的瓦楞容器的材料，并且它还可以覆盖双分类瓦楞纸板(DS OCC)。混合办公废纸(MOW)是指主要含有静电复印纸和胶版纸的材料。双衬牛皮纸是指一种材料，包括干净分类的未印刷瓦楞纸板箱、盒子、片材或装饰物，例如牛皮纸或黄麻衬里。除了纤维素纤维之外，湿部纤维原料还可以包含非纤维素聚合物纤维，诸如例如单组分或双组分纤维形式的聚乙烯、聚丙烯或聚酯纤维。在一些实施方式中，基于湿部纤维原料的干重，湿部纤维原料可以包含至少80重量％，至少90重量％或至少95重量％的非纤维素聚合物纤维。
术语纸应理解为包括含有纤维的片状材料，并且其还可以含有其它材料。用于本方法的合适的纤维材料包括上述那些，或其任何组合。如本文所用，术语纤维幅和纸幅应理解为包括正成型和已成型的纸片材料。术语纸包括纸、纸板或类似物。术语纸、纸板、纸产品和纸板产品在本文中可互换使用。
本公开的方法适用于制造强度提高的单层的简单纤维幅和多纤维幅，例如纸板产品。根据应用，纸或纸板产品中纤维基材的数量可以变化。纸产品可以是一层或多层产品。纸产品可以有多于一个纤维层。在一个实施方式中，纸产品具有两个或更多个纤维层。多层产品的各层或多层产品的每一层可以具有不同的属性，并且可以由具有不同类型和量的纤维材料以及具有不同性质诸如电导率、阴离子垃圾含量的湿部纤维原形成。
本公开的方法可用于制造各种纸等级的提高强度的纸，包括但不限于毛巾纸、薄纸如浴巾纸、卫生纸、餐巾纸、面纸、多层板、牛皮纸、衬纸/箱板、介质、测试衬垫、凹槽纸、麻袋纸、白内衬刨花板、石膏板饰面纸、涂层再生板、芯板或折叠纸板。
某些实施方式涉及用于提高纸强度的方法，包含在造纸工艺中向造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材中添加金属螯合物。
某些实施方式涉及用于生产具有提高强度的纸的方法，包含在造纸工艺中向造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材中添加金属螯合物。
某些实施方式涉及具有提高强度的纸产品，其使用包含在造纸工艺中向造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材中添加金属螯合物的方法制得。
某些实施方式涉及用于提高纸强度的方法，包含在造纸工艺中向造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材中添加金属螯合物和有机聚合物。
某些实施方式涉及用于生产具有提高强度的纸的方法，包含在造纸工艺中向造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材中添加金属螯合物和有机聚合物。
某些实施方式涉及具有提高强度的纸产品，其使用包含在造纸工艺中向造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材中添加金属螯合物和有机聚合物的方法制得。
造纸工艺湿部原料或湿部原料是指浓浆或稀浆或两者。术语造纸工艺湿部原料、湿部原料和纤维原料在本文中可互换使用。术语造纸机湿纸幅和湿纸幅在本文中可互换使用。
向造纸工艺湿部原料中添加金属螯合物包括向浓浆和/或稀浆中添加金属螯合物。向造纸机湿纸幅中添加金属螯合物包括向纸的湿纸幅和/或其单个层和/或待组合的多个层之间添加金属螯合物。向干片材中添加金属螯合物包括在湿纸幅干燥期间和/或之后形成的干片材添加金属螯合物。向造纸工艺湿部原料中添加有机聚合物包括向浓浆和/或稀浆中添加有机聚合物。向造纸机湿纸幅中添加有机聚合物包括向纸的湿纸幅和/或其单个层和/或待组合的多个层之间添加有机聚合物。向干片材添加有机聚合物包括向湿纸幅干燥期间和/或之后形成的干片材添加有机聚合物。
已知常规强度聚合物会受到苛刻工艺条件例如增加的纤维原料电导率的负面影响，由于环保意识和法规的提高，造纸厂具有越来越封闭的水循环、添加到工艺中的淡水越来越少，这些苛刻工艺条件是典型的。本公开使用金属螯合物与有机聚合物的构思可以更加耐受如增加的电导率等苛刻工艺条件的负面影响，甚至当添加到湿部原料中也如此，这潜在地是由螯合物和有机聚合物的即时反应性以及聚合物分子量和结构的增加带来的，尤其是当作为混合物或者独立但同时添加所述聚合物和金属螯合物时。
当将强度聚合物添加到湿纸幅或干片材中时，苛刻工艺条件对强度聚合物性能的影响较小。
在某些实施方式中，金属螯合物是锆或钛的螯合物，优选锆的螯合物。
在某些实施方式中，金属螯合物选自由乙酸锆、碳酸锆铵、碳酸锆钾、氧氯化锆、羟基氯化锆、正硫酸锆和丙酸锆以及它们的任何组合组成的组；优选乙酸锆、碳酸锆铵、和碳酸锆钾、以及它们的任何组合。
不希望被任何理论束缚，可以相信的是，金属螯合物、尤其是锆螯合物可以与有机聚合物的羟基、胺、羧基、羰基和/或醛基反应并且通过交联、聚合物内和聚合物间结构化增加有机聚合物的不溶性、分子量、粘度并降低其粘附性。金属螯合物、尤其是锆螯合物可以与造纸纤维表面上丰富的和/或存在于湿部原料或白水中存在的化学添加剂或细粒中的羟基、胺、羧基、羰基和/或醛基反应，并由此诱导交联并增加纤维与存在的其它成分之间的结合。增加纤维之间的结合致使纸强度提高。金属螯合物、尤其是锆螯合物由于其低溶液粘度而应用经济、易于获得且易于操作和泵送。
在某些实施方式中，将金属螯合物喷涂在造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材上。在某些其它实施方式中，用造纸机添加金属螯合物。在某些实施方式中，使用用于干燥、印刷或压花应用的造纸机添加金属螯合物。在某些实施方式中，使用片材上的喷雾器、干燥机(例如杨克式干燥机)、凹版辊、喷墨机或印刷机添加金属螯合物。
在某些实施方式中，将有机聚合物喷涂在造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材上。在某些实施方式中，用造纸机添加有机聚合物。在某些实施方式中，使用用于干燥、表面施胶、印刷或压花应用的造纸机添加有机聚合物。在某些实施方式中，使用片材上的喷雾机、干燥机(例如杨克式干燥机)、施胶机、凹版辊、喷墨机或印刷机添加有机聚合物。
在某些实施方式中，基于湿部原料中纤维素纤维的干重，金属螯合物的添加量为0.05-20磅/吨，优选0.1-10磅/吨，更优选3-5磅/吨。
用于本公开的有机聚合物可以包含羟基、胺、羰基和/或醛官能团。不希望被任何理论束缚，可以相信的是，金属螯合物可以与聚合物的这些官能团相互作用，并通过在聚合物链内部和之间建立连接来增加聚合物内和聚合物间的结构化以及有机聚合物的分子量。增加聚合物的分子量通常会改善其对纤维间键的强化效果。金属螯合物与有机聚合物之间的相互作用也可增加有机聚合物在水中的不溶性，增加有机聚合物在水性环境中的疏水性，并增加有机聚合物的溶液粘度。
在某些实施方式中，有机聚合物包含永久湿强度(PWS)聚合物，诸如聚酰胺基胺表氯醇或聚(表氯醇-共-双(六亚甲基)三胺)。永久湿强度聚合物常规用于造纸工艺中以提高湿强度。在此，发现与单独添加永久湿强度聚合物相比，或者如果作为混合物添加，则与以相同剂量依次添加聚合物和金属螯合物相比，金属螯合物和永久湿强度聚合物改善一个或多个强度参数。
在某些实施方式中，有机聚合物包含非湿强度聚合物(NWS)。如本文所用，NWS聚合物是指可以或可以不提供或提高干强度但不提供湿强度的有机聚合物。NWS的实例包括非湿强度PAE、聚乙烯胺(PVAM)如部分和完全水解的聚N-乙烯基甲酰胺、净阳离子聚丙烯酰胺、重均分子量<2MDa的净阴离子聚丙烯酰胺、阳离子淀粉、羧甲基纤维素(CMC)、聚(二甲胺(共)表氯醇)或聚(二甲胺-共-表氯醇-共-乙二胺)。在这些实施方式中，与使用单独的NWS阳离子合成聚合物相比，发现添加NWS阳离子合成聚合物与金属螯合物的组合可提供改善的湿强度，甚至永久湿强度。在某些实施方式中，NWS阳离子合成聚合物与金属螯合物单独但同时添加，或者作为混合物添加，由此增强它们彼此的相互作用。
在某些实施方式中，有机聚合物包含临时湿强度聚合物(TWS)。TWS聚合物常规用于其中制造的纸等级不需要或不期望永久湿强度的造纸中，例如制造可冲洗或可再制浆的纸(例如薄纸)时。如本文所用，TWS聚合物是指提供湿强度但不提供永久湿强度的强度聚合物。TWS聚合物的实例包括醛官能化聚合物，例如醛官能化聚丙烯酰胺、醛官能化淀粉基或纤维素基聚合物，尤其是乙二醛化聚丙烯酰胺或二醛淀粉。在这些实施方式中，与使用单独的TWS聚合物相比，发现添加TWS阳离子合成聚合物与金属螯合物的组合提供更高的湿强度，有时甚至是永久湿强度。这些实施方式可以减少或甚至消除对常规永久湿强度树脂如PAE的需要。这是非常可取的，由于永久湿强度PAE具有在造纸机上形成沉积物、堵塞毛毡以及阻碍含有它的纸的再制浆性的缺点。在某些实施方式中，TWS聚合物和金属螯合物单独但同时添加，或作为混合物添加，由此增强它们彼此的相互作用。
其它有机聚合物常规也用于造纸工艺中，用于提高强度以外的目的，例如作为固定剂、用于絮凝、脱水、保留(retention)等。
通常，优选在pH 7下具有净阳离子或净阴离子电荷的有机聚合物，因为能够与湿部纤维原料、湿纸幅或干片材中存在的具有相反电荷的其它组分形成离子键，因为这被认为可以改善纸强度特性。
在某些实施方式中，一种或多种有机聚合物在pH7时具有净阳离子电荷，从而提供在具有轻微阴离子电荷的纤维素纤维上提供自保留(self-retaining)益处。在pH 7下具有净阳离子电荷的有机聚合物的示例包括聚(二甲胺(共)表氯醇)、聚(二甲胺-共-表氯醇-共-乙二胺)、聚(表氯醇-共-双(六亚甲基)三胺)、聚乙烯胺(PVAM)如部分和完全水解的聚-N-乙烯基甲酰胺、聚乙烯亚胺(PEI)、阳离子单体的均聚物如二烯丙基二甲基氯化铵(DADMAC)、阳离子单体和非离子单体的共聚物、包含阳离子和阴离子单体的净阳离子共聚物、非湿强度级聚酰胺基胺-表氯醇(具有的表氯醇:胺摩尔比小于0.50)和阳离子反应性强度聚合物如湿强度级聚酰胺基胺-表氯醇(具有的表氯醇:胺摩尔比为至少0.80)、以及阳离子乙二醛化聚合物如阳离子乙二醛化聚丙烯酰胺。在某些实施方式中，有机聚合物包含在pH 7下电荷密度>0-5meq/g的净阳离子聚合物。净阳离子有机聚合物是特别优选的，这不仅是因为在纤维上自保留，而且因为能够在纤维上捕获和保留阴离子垃圾。
在某些实施方式中，有机聚合物在pH 7下可以具有净中性电荷。
在某些实施方式中，有机聚合物包括纤维素反应性强度聚合物，即能够与纤维素反应的聚合物。纤维素反应性强度聚合物的实例包括湿强度级聚酰胺基胺-表氯醇(PAE)、脲甲醛聚合物(UF)、三聚氰胺甲醛聚合物(MF)和醛官能化聚合物如二醛淀粉和乙二醛化聚丙烯酰胺(GPAM)。在某些实施方式中，有机聚合物包含纤维素非反应性聚合物。在这些实施方式中，金属螯合物可以向聚合物提供反应性，尤其是当有机聚合物和金属螯合物作为混合物添加时。
在某些实施方式中，有机聚合物包含合成有机聚合物。合成聚合物通常更均质且不易受到微生物降解，因此与天然聚合物(如淀粉或纤维素基聚合物)相比，可以提供增强且更可预测的强度性能。
在某些实施方式中，一种或多种有机聚合物的特性粘度(intrinsic viscosity，IV)为至少0.5dl/g，优选至少1dl/g，更优选至少2dl/g。IV反映聚合物的分子量。可以以已知方式获得IV，通过在25℃下使用Ubbelohde毛细管粘度计(0C)测量在NaCl水溶液(1N)中具有不同聚合物含量的一系列稀释液的平均流动时间，从修正的平均流动时间计算比粘度，将比粘度除以浓度以获得每种稀释液的比浓粘度，绘制比浓粘度-浓度关系曲线并且读取Y轴截距，得出IV。
在某些实施方式中，一种或多种有机聚合物具有低分子量，即特性粘度小于0.5dl/g。
在某些实施方式中，一种或多种有机聚合物的标准粘度(SV)为1-5mPas。在低浓度下测得的SV是反映聚合物分子量的另一个参数。在25℃下使用在1摩尔NaCl中的0.1重量％聚合物溶液确定SV值。当SV为10mPas或更低时，使用带有UL适配器的Brookfield粘度计在60rpm下进行测量。
下表1中给出了各种有机聚合物的强度提高特性，以说明它们的强度和非强度性质。
表1示出了能够在本发明中应用的各种有机聚合物的一些商用上看到的效果和特性(在无其它反应性强度树脂的情况下用于造纸时)。
Figure BDA0003289151070000101
Figure BDA0003289151070000111
在某些实施方式中，有机合成聚合物包含一种或多种聚乙烯胺如部分和完全水解的聚-N-乙烯基甲酰胺、乙二醛化聚丙烯酰胺(GPAM)、聚丙烯酰胺如阳离子聚丙烯酰胺和非离子聚丙烯酰胺、聚酰胺基胺、聚酰胺基胺-表氯醇、聚胺-表氯醇、聚胺-聚酰胺基胺-表氯醇、聚丙烯酸酯、聚胺、聚酰胺和聚酯；优选聚乙烯胺和乙二醛化聚丙烯酰胺中的一种或多种。
在某些实施方式中，基于湿部原料中纤维素纤维的干重，有机聚合物的添加量为0.1-40磅/吨，优选1-10磅/吨，更优选2-8磅/吨。
在某些实施方式中，将有机聚合物和金属螯合物添加在湿纸幅和/或干片材上，尤其是添加在干片材上。以这种方式，可以最小化诸如高导电性、硬度、碱度、亚硫酸盐水平等苛刻湿部条件对有机聚合物和金属螯合物的性能的任何不利影响。
在某些实施方式中，将金属螯合物添加在干片材上。以这种方式，可以在不损害吸收性的情况下获得提高强度的纸。在某些实施方式中，将金属螯合物和有机化合物均添加在干片材上。以这种方式，可以以不同的方式促进现成干片材的强度属性并转化为具有不同强度特性的各种最终产品。
在某些实施方式中，将pH>7(优选pH>8)的金属螯合物添加在湿纸幅和/或干片材上，并且将包含临时湿强度聚合物的有机聚合物添加至湿部原料、湿纸幅和/或干片材。临时湿强度聚合物的实例包括醛官能化有机聚合物，诸如乙二醛化聚丙烯酰胺、乙二醛化淀粉和二醛淀粉。以这种方式，可以改善例如可冲洗纸巾和毛巾所需要的纸的强度衰弱特性。
在某些实施方式中，将金属螯合物和有机聚合物混合在一起，并且在造纸工艺中，将金属螯合物有机聚合物混合物添加至造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材。在这些实施方式中，可以增强有机聚合物和金属螯合物之间的相互作用，从而提供进一步提高的强化效果。
当选择金属螯合物与合成聚合物的适合混合物时，提供强度性能的潜力与混合物最终粘度的增加有关。以下是当将粘度小于100pc的金属螯合物添加至合成聚合物浓缩物中时，粘度增加的示例。在混合后的1小时内且优选在混合后的小于5分钟内，观察到了增加的粘度。
添加到聚合物浓缩物中的金属螯合物(<100cps)％
Figure BDA0003289151070000121
因此，在某些实施方式中，当在混合后1小时内且优选在混合后5分钟内测量时，金属螯合物有机聚合物混合物的粘度为1-20000cp，优选1-10000cp，最优选—1-5000cp。在某些实施方式中，混合物的粘度大于组分的组合粘度。
在某些实施方式中，在相对高的浓度下混合有机聚合物和金属螯合物提供进一步增强的相互作用和聚合物结构化并且之后使用稀释水和/或进料水稀释至所需的使用浓度。进料水是用于在工艺流中向纤维原料进料/推动/混合添加剂的水。在某些实施方式中，首先将金属螯合物和有机聚合物稀释至使用浓度，然后混合。在某些实施方式中，使用水稀释金属螯合物和聚合物并且单独添加。
在某些实施方式中，在将金属螯合物和有机聚合物混合在一起后的至多1分钟内，优选30秒至1分钟内，将金属螯合物有机聚合物混合物添加至造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材。在某些实施方式中，将有机聚合物作为活性固体稀释至wt 1％并且与金属螯合物混合，并且在造纸工艺中，将金属螯合物有机聚合物混合物添加至造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材。
出乎意料地发现，相较于在造纸工艺中依次加入等剂量的有机聚合物和金属螯合物，单独但同时或者作为混合物/预混物添加金属螯合物和有机聚合物可以更多地增加纸强度，尤其是湿强度，且甚至是永久湿强度。在某些实施方式中，与添加单独的有机聚合物相比，或者与以相等的剂量依次添加聚合物和金属螯合物相比，单独但同时或者尤其是作为混合物/预混物添加有机聚合物和金属螯合物可以改善一个或多个强度参数。混合物优选在造纸厂通过将聚合物与金属螯合物共混而现场产生，以在造纸中立即使用，从而最大限度地提高效率并避免稳定性问题，例如在延长储存时间后可能出现的沉淀或胶凝。
在混合后的合理时间范围内将混合物转移到造纸工艺湿部原料或在正成型或已成型的湿纤维幅或干片材上。在一个实施方式中，共混开始后最多10分钟，优选共混开始后最多1分钟，最优选共混30秒至1分钟，将共混的混合物引入至湿部原料或者正成型或已成型的湿纤维幅或干片材。
由于金属螯合物能够快速地与聚合物中可用官能团相互作用的能力，此种短时间混合是可以的。如此短的时间也有利于保持混合物基本无沉淀或胶凝。时间范围(时间框，time frame)包括混合和运输以将共混的混合物提供给造纸工艺。在有机聚合物和金属螯合物的浓度混合前独立地高于20wt-％时，优选为30秒至1分钟的混合时间。30秒使得金属螯合物有足够的时间诱导聚合物链之间的交联，并且在1分钟内不会发生胶凝。如果降低金属螯合物和有机聚合物的浓度，可以更长时间地防止胶凝。混合前金属螯合物和有机聚合物的浓度分别为1％，直到混合10分钟才能避免胶凝。
共混实施方式提供了进一步的好处，即不需要额外的储罐来保持混合物。甚至可以通过公共管道将聚合物和金属螯合物送入造纸工艺来进行混合并使用管道长度调整接触时间。
在某些实施方式中，在造纸工艺中，单独地将金属螯合物和有机聚合物添加至造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材。
在某些实施方式中，在造纸工艺中，单独但同时将金属螯合物和有机聚合物添加至造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材。
在某些实施方式中，在造纸工艺中，单独但基本上在造纸工艺的同一时间和同一位置，将金属螯合物和有机聚合物添加至造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材。单独但基本上在同一时间和同一位置是指通过在同一位置汇合的单独注入管加入金属螯合物和有机聚合物。在同一位置添加是指沿造纸工艺中心管的同一环圈添加和/或沿造纸工艺中心管的同一正交平面添加。
在某些实施方式中，在造纸工艺中，依次将金属螯合物和有机聚合物添加至造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材，其中在添加有机聚合物之后添加金属螯合物。
在某些实施方式中，在造纸工艺中，将有机聚合物和金属螯合物添加至造纸工艺湿部原料。在某些实施方式中，在造纸工艺中，将有机聚合物添加至造纸工艺湿部原料并且将金属螯合物添加至造纸机湿纸幅。在某些实施方式中，在造纸工艺中，将有机聚合物添加至造纸工艺湿部原料并且将金属螯合物添加至干片材。在某些实施方式中，在造纸工艺中，将有机聚合物添加至造纸工艺湿部原料并且将金属螯合物添加至造纸机湿纸幅和干片材。在某些实施方式中，在造纸工艺中，将有机聚合物和金属螯合物添加至造纸机湿纸幅。在某些实施方式中，在造纸工艺中，将有机聚合物添加至造纸机湿纸幅并且将金属螯合物添加至干片材。在某些实施方式中，在造纸工艺中，将有机聚合物和金属螯合物添加至干片材。在某些实施方式中，在造纸工艺中，将有机聚合物添加至造纸工艺湿部原料和造纸机湿纸幅并且将金属螯合物添加至造纸机湿纸幅和干片材。
在某些实施方式中，由于在造纸工艺中添加金属螯合物和有机聚合物，纸的湿拉伸和/或即时湿拉伸和/或永久湿拉伸和/或干拉伸和/或爆裂和/或STFI和/或刚度和/或Mullen和/或内部结合和/或层粘合和/或环压和/或蜡粘(wax pick)和/或油墨试验和/或IGT和/或衰弱改善或增加。改善或增加(或减少或衰弱)是相对于用类似造纸工艺生产的纸测量的，但在所述类似造纸工艺中不添加金属螯合物和有机聚合物。
在某些实施方式中，由于添加金属螯合物或者金属螯合物和有机聚合物，纸的湿/干比提高至少2个百分点。在某些实施方式中，纸是薄纸，例如卫生纸、餐巾纸或面纸。随着湿/干比的增加，纸的湿强度增加，而纸的硬度没有可比的增加。
在某些实施方式中，在纸的一个或多个区域选择性地增加纸强度，其中将金属螯合物或者金属螯合物和有机聚合物选择性地喷涂在干片材上需要增加纸强度的一个或多个区域上。
在某些实施方式中，纸是毛巾纸并且添加的金属螯合物和永久湿强度聚合物将永久湿拉伸增加至少5％，优选至少10％。
在某些实施方式中，纸是浴巾纸并且添加的金属螯合物和非湿强度聚合物将湿拉伸增加至少5％，优选至少10％且衰弱改善至少50％，更优选60％且最优选70％。
在某些实施方式中，纸是多层板或衬纸/箱板并且添加的金属螯合物或者金属螯合物和有机聚合物将环压(ring crush)增加至少5％，优选10％和/或STFI增加至少5％，优选10％和/或爆裂强度增加至少10％，优选15％。
在某些实施方式中，由通过多个独立的成型单元形成的湿纸幅制造多层纤维幅，其中通过使用自己的成型单元由纤维原料形成各湿纸幅并且在网部(wire section)排出至少部分水，将形成的湿纸幅接合在一起并且使接合的湿纸幅经历进一步的排水、湿压和干燥以得到多层纤维幅产品。在某些实施方式中，在接合湿纸幅之前，将金属螯合物添加至正被接合的至少一个湿纸幅的至少一个表面上。在某些实施方式中，在接合湿纸幅之前，单独或同时将金属螯合物和有机聚合物添加至正被接合的至少一个湿纸幅的至少一个表面上。在某些实施方式中，在接合湿纸幅之前，将金属螯合物和有机聚合物的预混物添加至正被接合的至少一个湿纸幅的至少一个表面上。成型单元是指可以用于由纤维原料形成湿纸幅的任何布置，并且采用该布置首先在线材等上形成单独的湿纸幅，并且在后期，将单独的至少部分排水的湿纸幅接合成多层纤维幅。成型单元可以包括流浆箱或圆网成型机(cylinder former)。
根据一个实施方式，可以通过使用多层流浆箱来形成多层纤维幅产品或多层纤维幅产品的一个或多个层。根据本发明的一个实施方式，还可以通过使用成型单元形成多层纤维幅产品的一个或多个层，使得至少纤维层是流浆箱的唇流(lip flow)或流浆箱的喷射。因此，可以由通过成型单元形成的湿纸幅制造多层纤维幅的一层，其中湿纸幅由纤维原料形成并且在网部从中排出至少一部分水，然后将另一湿纸幅施加至至少部分排水的湿纸幅的表面上，并且使接合的纤维层经受进一步排水、湿压和干燥以获得多层纤维幅产品。施加至第一纸幅表面上的另一湿纸幅在接合之前不必进行排水。在根据本发明的一个实施方式中，在湿压之前，使组合的多层纸幅经受真空浇水阶段。还可以通过胶合或层压来接合湿纸幅或干片材以制造多层纤维幅。
在某些实施方式中，有机聚合物不包含淀粉。
在某些实施方式中，可以在流浆箱的任何时间，向湿部纤维原料添加更进一步的造纸助剂，诸如进一步的强化剂和/或絮凝剂，以及助留剂、排水助剂、杀菌剂、消泡剂、增白剂、着色剂、施胶剂、固定剂、凝结剂或它们的任何组合。
关于本发明的一个方面所讨论的任何实施方式也适用于本发明的其它方面，反之亦然。本文描述的每个实施方式应理解为适用于本发明所有方面的本发明的实施方式。可以预期的是，本文讨论的任何实施方式可关于本发明的任何方法或组合物实施，反之亦然。此外，本发明的组合物和试剂盒可用于实现本发明的方法。
当在权利要求和/或说明书中与术语“包含”结合使用时，使用词语“一”或“一种”可以是指“一个”，但其也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的含义一致。
在本文档中，术语“约”用于表示一个值包括用于确定该值的装置或方法的误差的标准偏差。
权利要求中使用的术语“或”用于表示“和/或”，除非明确指出仅指替代方案或替代方案是相互排斥的，但是本公开支持仅指替代方案以及“和/或”的定义。
如本公开中所使用的，词语“包含(comprising)”(以及包含的任何形式，诸如“包含(comprise)”和“包含(comprises)”)、“具有(having)”(以及具体的任何形式，诸如“具有(have)”和“具有(has)”)、“包括(including)”(和包括的任何形式，诸如“包括(includes)”和“包括(include)”)或“含有(containing)(和含有的任何形式，诸如“含有(contains)”和“含有(contain)”)是包容性的或开放式的，不排除额外的、未列举的要素或方法步骤。
实施例
包括以下实施例以及所附附图以说明本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解，实施例或附图中公开的技术代表发明人发现的在本发明的实践中发挥良好作用的技术，因此可以被认为构成其实践的优选模式。然而，根据本公开内容，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所公开的具体实施方式进行许多改变并且仍然获得相似或类似的结果。
实施例中使用的程序
手抄纸程序
使用实施例中指定的纸浆进行了手抄纸研究。在制备手抄纸之前，使用用于回收的棕色配料的机器白水，或使用用于原始配料的用150ppm硫酸根离子和35ppm钙离子处理的去离子水，将浓浆稀释至约0.5％。制作手抄纸时稀浆的pH值为6.8至7.0。在以下实施例1-20中，手抄纸的基重为35至150g/m2。
使用动态纸抄片器(Dynamic Sheet Former)根据标准协议制备手抄纸。片材在15psi(如果需要)下加压，35gsm片材滚筒干燥60秒且150gsm片材滚筒干燥90秒。如果使用GPAM或PAE产品，则将片材在105℃下后固化5分钟。在纸物理测试之前，纸在73°F和50％相对湿度下调理至少过夜。这遵循TAPPI T 402om-93，纸、纸板、纸浆手抄纸和相关产品方法的标准调节和测试气氛。
片材喷涂
第一喷涂系统是具有Phoenix I单轴伺服控制器的1550AutoJet Modelar喷雾系统。喷雾设置为单程，喷涂率为87％。这在干片材上产生约0.65-0.69克的湿粘着物，且在湿纸幅上产生约0.45至0.50克的湿粘着物。
以下实施例1-12说明了在各个添加点施用作为示例性合成有机非湿强度聚合物的聚乙烯胺或作为示例性临时湿强度聚合物的阳离子GPAM与作为金属螯合物示例的乙酸锆的组合的效果以及纸特性。实施例13-16说明了在各个添加点施用此处作为金属螯合物示例的乙酸锆的效果以及纸特性。实施例17-20说明了在各个添加点，与作为金属螯合物示例的乙酸锆组合，施用作为有机合成永久湿强度聚合物的湿强度聚酰胺基胺-表氯醇(WS-PAE，表氯醇:胺摩尔比为至少0.80)以及作为有机合成干强度增强剂和非湿强度聚合物示例的非湿强度聚酰胺基胺-表氯醇(NWS-PAE，一种表氯醇:胺摩尔比小于0.50的轻交联的PAE)的效果以及纸特性。
在造纸的各个点添加有机非湿强度或临时湿强度聚合物和金属螯合物
实施例1.依次在湿部施用聚乙烯胺和在湿纸幅上施用乙酸锆–纸巾和毛巾纸等级
本实施例中使用的纸浆是粗浆，它是50％OCC和50％MOW的混合配料。目标基重为35gsm，典型的纸巾和毛巾等级。进行平行实验，在一项实验中，将聚乙烯胺(8磅/吨)施用于湿部，在另一项实验中，通过1550AutoJet Modelar喷雾系统在干燥之前将乙酸锆(5磅/吨)施用于湿纸幅，在另一项实验中，通过1550AutoJet Modelar喷雾系统在干燥之前将聚乙烯胺(8磅/吨)施用于湿部且将乙酸锆(5磅/吨)施用于湿纸幅，在一项实验中，不添加锆和聚乙烯胺。湿纸幅的近似固体含量为约15至30％。在使用PVAM的所有实验中，将分子量为约350kDa且水解％为约50％的Lupamin9050用作聚乙烯胺(PVAM)。
以下表2-5示出了结果。与单独的聚乙烯胺相比，添加乙酸锆和聚乙烯胺将即时湿拉伸增加了约127％(表3)且永久湿拉伸–浸泡10分钟后的湿拉伸增加了约26％(表4)。因此，湿强度衰弱从34.8％(仅聚乙烯胺)增加至63.7％(聚乙烯胺和乙酸锆)，如表5所示，且湿/干比从19.2％(仅聚乙烯胺)变化至45.5％(聚乙烯胺和乙酸锆)，如表5所示。与只有PVAM相比，乙酸锆加PVAM在这种情况下未增加干拉伸(如表2所示)。通过即时湿拉伸除以干拉伸计算湿/干比。单位gF/英寸是指克力每英寸(gram force per inch)。
表2：CD干拉伸结果
Figure BDA0003289151070000181
表3：CD即时湿拉伸结果
Figure BDA0003289151070000182
表4：浸泡10分钟后的CD湿拉伸
Figure BDA0003289151070000183
Figure BDA0003289151070000191
表5：湿/干和10分钟衰弱结果
Figure BDA0003289151070000192
实施例2在湿部依次或作为混合物施用聚乙烯胺和乙酸锆-印刷和书写纸等级
本实施例中使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为75gsm，典型用于印刷和书写等级。进行了平行实验。在一项实验中，将5磅/吨乙酸锆施加至湿部。在另一项实验中，将1％聚乙烯胺添加至湿部。在另一项实验中，依次将1％聚乙烯胺和5磅/吨乙酸锆添加至湿部。在另一项实验中，将1％聚乙烯胺与5磅/吨乙酸锆共混，并且将聚乙烯胺和乙酸锆混合物添加至湿部。
当依次添加乙酸锆和聚乙烯胺时，强度增加非常有限。表6的结果显示，与单独使用5磅/吨PVAM相比，在加入到纸浆浆料中之前共混乙酸锆和聚乙烯胺，即时重量拉伸和永久重量拉伸–浸泡30分钟后的湿拉伸增加了约17％，并且干拉伸增加了约14％。表6还显示了与依次添加乙酸锆和聚乙烯胺相比，以混合物添加乙酸锆和聚乙烯胺的益处。
表6：在湿部依次(Seq)或作为混合物(共混)施用聚乙烯胺和乙酸锆
Figure BDA0003289151070000193
实施例3聚乙烯胺和乙酸锆作为混合物施用在干片材上-印刷书写纸等级
进行了平行实验。在一项实验中，通过实验室规模浸压施胶压机(lab scaleflooded nip size press)将5磅/吨聚乙烯胺添加在干片材上。在另一项实验中，将5磅/吨聚乙烯胺与0.4磅/吨乙酸锆混合，并且通过实验室规模浸压施胶压机将混合物添加在干片材上。在这些实验中，基片以PCC为填料，典型用于印刷和书写等级。
表7显示，与仅添加聚乙烯胺相比，以混合物添加乙酸锆和聚乙烯胺将永久湿拉伸增加了约8％。
表7：聚乙烯胺和乙酸锆作为混合物添加在干片材上-施胶压制结果
浸泡30分钟(磅/英寸)
5#PVAM 0.961
5#PVAM+0.4#ZrAc 1.035
实施例4依次在干片材上施用聚乙烯胺和乙酸锆-再生白毛巾纸
进行了平行实验。在一项实验中，将聚乙烯胺(4磅/吨)喷涂在干片材上。在其它实验中，通过1550AutoJet Modular喷雾系统，然后通过3MACCUSPRAY 16580，依次先将聚乙烯胺(4磅/吨)，然后将乙酸锆(4.55磅/吨)喷涂在干片材上。在又一项实验中，不添加聚乙烯胺或锆。所使用的原纸是一种商用再生白毛巾，基重为40gsm。干片材水分为约4％。
与仅向干片材添加聚乙烯胺相比，向干片材依次添加聚乙烯胺和乙酸锆在将永久湿拉伸-浸泡10分钟后的湿拉伸增加了约21％(表8)。
表8：在干片材上依次添加聚乙烯胺和乙酸锆
Figure BDA0003289151070000201
实施例5在干片材上依次施加或作为混合物施加聚乙烯胺和乙酸锆–再生白毛巾
进行了平行实验。在一项实验中，依次首先将聚乙烯胺(2磅/吨)且然后将乙酸锆(5.4磅/吨)喷涂至干片材。在另一项实验中，将聚乙烯胺(2磅/吨)和乙酸锆(3磅/吨)共混，并且将混合物添加至干片材。所使用的原纸是一种商用再生白毛巾，基重为40gsm。干片材水分为约4％。
表9显示，与依次加入聚乙烯胺和乙酸锆相比，通过添加聚乙烯胺乙酸锆混合物，即时湿拉伸增加了约22％并且永久湿拉伸-10分钟后的湿拉伸增加了约26％。
表9：依次(Seq)或作为混合物(共混)施用PVAM和ZrAc
Figure BDA0003289151070000211
实施例6在湿部施用聚乙烯胺且在干片材上施用乙酸锆或碳酸锆铵-纸巾和毛巾纸等级
本实施例中使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为35gsm，典型的纸巾和毛巾等级。进行了平行实验。在一项实验中，在湿部添加聚乙烯胺(4磅/吨)。在另一项实验中，在湿部添加聚乙烯胺(4磅/吨)并且通过1550AutoJet Modular喷雾系统将乙酸锆(3.9磅/吨)喷涂至干片材。在一项实验中，在湿部添加聚乙烯胺(4磅/吨)并且通过1550AutoJet Modular喷雾系统将碳酸锆铵(3.74磅/吨)喷涂至干片材。干片材水分为约4至8％。
与仅添加聚乙烯胺相比，通过分别在干片材上添加乙酸锆或碳酸锆铵，以及在湿部施用聚乙烯胺，即时湿拉伸增加了18.5％和21％(表10)。与仅添加聚乙烯胺相比，通过分别添加乙酸锆或碳酸锆铵并且在湿部施用聚乙烯胺，永久湿拉伸–浸泡10分钟后湿拉伸增加了约28％和约19％(表10)。湿/干比增加了18％。
表10：在湿部施用聚乙烯胺且在干片材上施用乙酸锆或碳酸锆铵
Figure BDA0003289151070000212
Figure BDA0003289151070000221
实施例7在湿部施用GPAM且在干片材上施用碳酸锆铵
本实施例中使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为35gsm，典型的纸巾和毛巾等级。进行了平行实验。在一项实验中，在湿部添加阳离子GPAM(4磅/吨)。在其它实验中，在湿部添加阳离子GPAM(4磅/吨)且通过1550AutoJet Modular喷雾系统将碳酸锆铵(3.9磅/吨)喷涂至干片材。干片材水分为约4至8％。
如表11所示，与仅添加GPAM相比，通过添加碳酸锆铵与GPAM，即时湿拉伸增加了19％。与仅添加GPAM相比，通过添加碳酸锆铵与GPAM，永久湿拉伸–浸泡10分钟后的湿拉伸降低了1.2％。
10分钟湿强度衰弱从29％(仅GPAM)增加至41％(GPAM和碳酸锆铵)。这对于快速衰弱毛巾是有益的。
湿/干比增加了18％。
表11：GPAM在湿部且干片材喷涂锆
Figure BDA0003289151070000222
实施例8在干片材上依次施用聚乙烯胺和乙酸锆-纸巾等级
本实施例中使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为35gsm，典型的纸巾和毛巾等级。进行了平行实验。在一项实验中，将聚乙烯胺(4磅/吨)喷涂至干片材。在其它实验中，通过1550AutoJet Modular喷雾系统，然后通过3M ACCUSPRAY16580，依次将聚乙烯胺(4磅/吨)且然后将乙酸锆(5.62磅/吨)喷涂在干片材上。干片材水分为约4至8％。
表12表12显示，与仅在干片材上添加聚乙烯胺相比，在干片材上依次添加聚乙烯胺和乙酸锆，干拉伸、即时湿拉伸和永久湿拉伸-浸泡10分钟后的湿拉伸分别增加了约27％、30％和38％。
表12：在干片材上依次添加PVAM和锆
Figure BDA0003289151070000231
实施例9依次在干片材上施用聚乙烯胺和乙酸锆-包装和纸板等级
本实施例中使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为150gsm，典型的包装和纸板等级。进行了平行实验。在一项实验中，将聚乙烯胺(4磅/吨)喷涂至干片材。通过1550AutoJet Modular喷雾系统，然后通过3M ACCUSPRAY 16580，依次将聚乙烯胺(4磅/吨)且然后将乙酸锆(3.8磅/吨)喷涂在干片材上。在其它实验中，不添加锆和聚乙烯胺。干片材水分为约4至8％。
表13显示，与仅在干片材上添加聚乙烯胺相比，在干片材上依次添加聚乙烯胺和乙酸锆，干拉伸、STFI和爆裂分别增加了1％、6％和4％。
表13：依次在干片材上施用聚乙烯胺和乙酸锆
Figure BDA0003289151070000232
实施例10在湿部施用聚乙烯胺且在干片材上施用乙酸锆-包装和纸板等级
本实施例中使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为150gsm，典型的包装和纸板等级。进行了平行实验。在一项实验中，将聚乙烯胺(4磅/吨)添加至湿部，纸浆稠度为0.6％。在其它实验中，将聚乙烯胺(4磅/吨)添加至湿部，纸浆稠度为0.6％，并且通过1550AutoJet Modular喷雾系统将乙酸锆(3.6磅/吨)喷涂在干片材上。在另一项实验中，不添加聚乙烯胺和锆。干片材水分为约4至8％。
表4显示，与仅在湿部添加聚乙烯胺相比，在湿部添加聚乙烯胺且在干片材上添加乙酸锆，干拉伸、STFI和爆裂分别增加了11％、4％和5％。
表14：在湿部施用PVAM且ZrAc干片材喷涂
Figure BDA0003289151070000241
实施例11在湿部施用作为混合物的聚乙烯胺和乙酸锆-包装和纸板级纸
本实施例中使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为150gsm，典型的包装和纸板等级。进行了平行实验。在一项实验中，将聚乙烯胺(5磅/吨)与乙酸锆(0.4磅/吨)混合，并且将聚乙烯胺乙酸锆混合物添加至湿部。在另一项实验中，将聚乙烯胺(5磅/吨)添加至湿部。
与仅在湿部添加聚乙烯胺相比，在湿部添加聚乙烯胺乙酸锆混合物，STFI、爆裂和内部结合(表15)分别增加了6％、5％和7％。
表15：作为混合物在湿部施用聚乙烯胺和乙酸锆
Figure BDA0003289151070000242
仅添加金属螯合物而不添加聚合物
实施例12在湿纸幅上施用乙酸锆-薄纸
本实施例中使用的纸浆是Cascade Whitby的棕浆(brown stock)，它是50％OCC和50％MOW的共混配料。目标基重为35gsm，典型的纸巾和毛巾等级。进行了平行实验，在一项实验中，在干燥之前通过1550AutoJet Modelar喷雾系统将乙酸锆(5磅/吨)施用在湿纸幅上，在另一项实验中，不添加锆。湿纸幅的近似固体含量为约15至30％。
表16示出了仅在湿纸幅上施用ZrAc的效果。添加乙酸锆将即时湿拉伸增加了约39％并且将永久湿拉伸–浸泡10分钟后的湿拉伸增加了约53％。因此，由于乙酸锆添加，湿强度衰弱由34.1％降低至27.4％并且湿/干比从6.3％变为8.9％。
表16：在湿纸幅上仅施用ZrAc
Figure BDA0003289151070000251
实施例13在湿纸幅上施用乙酸锆或碳酸锆铵-印刷和书写纸等级
本实施例中使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为75gsm，典型的印刷和书写等级。进行了平行实验，在一项实验中，在片材形成之前向湿部添加乙酸锆(5磅/吨)，在其它实验中，在片材形成之间向湿部添加碳酸锆铵(5磅/吨)，并且在另一项实验中，不添加锆。
表17示出了测量的干拉伸、即时湿拉伸和永久湿拉伸–浸泡30分钟后的湿拉伸数据。
表17中的数据比较显示，通过添加乙酸锆或碳酸锆铵分别将干拉伸增加了约17％和7％，通过添加乙酸锆和碳酸锆铵分别将即时湿拉伸增加了约87％和128％，通过添加乙酸锆和碳酸锆铵分别将永久湿拉伸–浸泡30分钟后的湿拉伸分别增加了约89％和118％。相应地，通过添加乙酸锆和碳酸锆铵分别将湿/干比从3.7％(无锆)分别增加至5.9％和7.9％。
表17：在湿部施用乙酸锆或碳酸锆铵
Figure BDA0003289151070000261
实施例14.在干片材上施用乙酸锆或碳酸锆铵-印刷和书写纸等级
进行了平行实验。在一组实验中，通过实验室规模浸压施胶压机将5磅/吨或10磅/吨乙酸锆添加在干片材上。在其它组实验中，通过实验室规模浸压施胶压机将5磅/吨或10磅/吨碳酸锆铵添加在干片材上。在另一项实验中，不添加锆。在这些实验中，基片以PCC作为填料，典型的印刷和书写等级。
表18显示，由于添加碳酸锆铵或乙酸锆致使干拉伸增加。还可以看到，由于添加碳酸锆铵或乙酸锆，永久湿拉伸–浸泡30分钟后的湿拉伸增加。
表18：在干片材上施用乙酸锆或碳酸锆铵
条件 剂量(磅/吨) 干拉伸(磅/英寸) 30分钟浸泡(磅/英寸)
仅水 0 12.8 0.590
ZrAc 5 13.1 0.754
10 12.6 0.720
AZC 5 13.0 0.834
10 13.3 1.069
实施例15.在干片材上施用乙酸锆或碳酸锆铵-纸巾和毛巾等级
本实施例中使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为35gsm，典型的纸巾和毛巾等级。湿部未使用其它化学品。进行了平行实验，在一项实验中，通过1550AutoJet Modular喷雾系统在干手抄纸上喷涂乙酸锆(4.1磅/吨)，在其它实验中，不添加锆。片材水分为约4至8％。
测量并且比较了通过以上两个工艺获得的纸的干拉伸、即时湿拉伸、永久湿拉伸–浸泡10分钟后的湿拉伸。
表19显示，向干手抄纸上添加乙酸锆将干拉伸增加了10％，即时湿拉伸增加了121％且永久湿拉伸–10分钟后的湿拉伸增加了390％。
表19：在干片材上施用乙酸锆或碳酸锆铵
Figure BDA0003289151070000271
实施例16.在湿部施用乙酸锆或碳酸锆铵-包装和纸板等级
本实施例中使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为150gsm，典型的包装和纸板等级。进行了平行实验，在一项实验中，向湿部添加乙酸锆(5磅/吨)，在其它实验中，向湿部添加碳酸锆铵(5磅/吨)，并且在另一项实验中，不添加锆。
表20显示，通过添加乙酸锆和碳酸锆铵，分别将爆裂强度增加了约22％和20％。通过添加乙酸锆和碳酸锆铵，STFI分别增加了约5％和4％。通过添加乙酸锆和碳酸锆铵，内部结合分别增加了约11％和6％。
表20：在湿部施用乙酸锆或碳酸锆铵
化学品 剂量 STFI 爆裂 内部结合
(磅/吨) 磅/英寸 磅/英寸 mFt.磅/英寸<sup>2</sup>
空白 10.39 60.336 80.5
ZrAc 5 10.86 73.765 89.3
AZC 5 10.84 72.138 85.0
具有或不具有锆的有机强度聚合物
在下列实施例中，所使用的PAE产品包括湿强度聚酰胺基胺-表氯醇(WS-PAE，表氯醇:胺摩尔比为至少0.80)作为有机永久湿强度聚合物的示例和非湿强度聚酰胺基胺-表氯醇(NWS-PAE，一种表氯醇:胺摩尔比小于0.50的轻交联PAE)作为有机干强度增强剂和非湿强度聚合物的示例。就预混条件而言，PAE和ZrAc以目标比例混合1分钟，然后在湿部加入到纸浆中或喷洒到干片材上。PAE的剂量是指总固体；ZrAc或AZC作为ZrO2固体。
实施例17.WS-PAE与乙酸锆依次或作为混合物施用在湿部-印刷和书写纸等级
本实施例中使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为70gsm，典型的印刷和书写等级。此应用也可用于消费毛巾等级。在形成片材之前，在湿部添加WS-PAE和乙酸锆。
如表21所示，ZrAc可以与WS-PAE一起增加即时湿拉伸和30分钟浸泡后的湿拉伸。当与WS-PAE单独使用时，ZrAc未显示出对干拉伸的显著提高(表21)。当与WS-PAE共混时，与使用单独的5磅/吨WS-PAE相比，实现了13.0％IWT增加和13.2％PWT增加。因此，ZrAc还可以增加湿/干比(从15.9％增加至17.1％)(图38)。需要注意的是，对于共混和依次添加，ZrAc还将干拉伸增加了5％。通过将即时湿拉伸除以干拉伸计算湿/干比。
表21：在湿部依次添加或作为混合物施用WS-PAE和乙酸锆
Figure BDA0003289151070000281
实施例18.在湿部单独施用或与乙酸锆依次或作为与乙酸锆的混合物添加NWS-PAE-印刷和书写纸等级
本实施例中使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为70gsm，典型的印刷和书写等级。此应用也可用于消费毛巾等级。在形成片材之前在湿部添加NWS-PAE和乙酸锆。
表22显示，当依次添加ZrAc和NWS-PAE时，干拉伸增加10％，即时湿拉伸增加5％且30-分钟浸泡后湿拉伸增加17％。与使用单独的5磅/吨NWS-PAE相比，在添加至纸浆浆料中之前，共混ZrAc(0.5磅/吨)与NWS-PAE使得DT增加了18％，IWT增加了22％，且PWT增加48％(30分钟浸泡)。因此，与使用单独的NWS-PAE的29％湿拉伸衰弱相比，共混 ZrAc和NWS-PAE产生了14％30-分钟湿拉伸衰弱。需要注意的是，通过将X分钟浸泡后的湿拉伸除以即时湿拉伸来计算湿拉伸衰弱。此外，共混ZrAc与NWS-PAE显示出了比依次添加更佳的强度增加。
表12：在湿部单独施用或与乙酸锆依次施用或与乙酸锆作为混合物施用NWS-PAE
Figure BDA0003289151070000291
实施例19.NWS-PAE和乙酸锆作为共混物或依次添加至湿纸幅-书写和印刷纸等级
在本实施例中，以共混物的形式，或者通过1550AutoJet Modular喷雾系统且之后通过3M ACCUSPRAY 16580，将5磅/吨NWS-PAE和乙酸锆(10％的NWS-PAE剂量，即0.5磅/吨)施用至湿纸幅。基片由具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维制成，基重为70gsm。此应用适用于印刷和书写等级，且可能适用于所有毛巾等级。
表23显示，当ZrAc与NWS-PAE共混时，0.5磅/吨ZrAc提高了约28％的IWT和9％的PWT。共混NWS-PAE和ZrAc显示比依次添加高出26％和8％的IWT和PWT。共混或依次施用对干拉伸没有太大影响。
表23：向湿纸幅作为混合物或依次施用NWS-PAE和乙酸锆
Figure BDA0003289151070000292
实施例20.在湿部施用NWS-PAE且在干片材上施用ZrAc-印刷和书写纸等级
在本实施例中，使用的纸浆是具有50％SW和50％HW的原始漂白纤维。目标基重为70gsm，典型的印刷和书写等级。在湿部施用NWS-PAE并且通过1550AutoJet Modular喷雾系统将ZrAc喷涂在干片材上。从表24可以看到，与使用单独的NWS-PAE相比，使用ZrAc与NWS-PAE将IWT和PWT增加了20％和16％。干拉伸未受到太大影响。
表24：在湿部施用NWS-PAE且在干片材上施用ZrAc
Figure BDA0003289151070000301

Claims (15)

1.一种用于制造具有提高强度的纸的方法，包括向造纸工艺湿部原料和/或造纸机湿纸幅和/或干片材中添加金属螯合物和至少一种合成阳离子聚合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种合成阳离子聚合物选自永久湿强度聚合物(PWS)、非湿强度聚合物(NWS)和临时湿强度聚合物(TWS)中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述金属螯合物是锆或钛的螯合物。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述金属螯合物是锆螯合物并且选自由乙酸锆、碳酸锆铵、碳酸锆钾、氧氯化锆、羟基氯化锆、正硫酸锆、丙酸锆以及它们的组合组成的组；优选乙酸锆、碳酸锆铵、碳酸锆钾以及它们的组合。
5.根据权利要求1、2或4所述的方法，其中所述金属螯合物和合成阳离子聚合物经选择使得当所述螯合物和所述聚合物混合在一起时，在混合后1小时内且优选地5分钟内测量时，混合物的粘度为1-20,000cp，优选地1-10,000cp且最优选地1-5000cp。
6.根据权利要求1、2或4所述的方法，其中所述至少一种合成阳离子聚合物选自由以下组成的组：聚酰胺基胺表氯醇、聚(表氯醇-共-双(六亚甲基)三胺)、聚酰胺基胺-表氯醇(PAE)、聚乙烯胺(PVAM)如部分和完全水解的聚-N-乙烯基甲酰胺、净阳离子聚丙烯酰胺、聚(二甲胺(共)表氯醇)、聚(二甲胺-共-表氯醇-共-乙二胺)、乙二醛化聚丙烯酰胺(GPAM)、聚乙烯亚胺(PEI)。
7.根据权利要求1、2或4中任一项所述的方法，其中通过先添加所述聚合物而依次添加、通过单独但基本上同时且在造纸工艺的同一位置添加或者通过在添加至造纸工艺之前混合在一起添加所述金属螯合物和所述至少一种合成阳离子聚合物。
8.根据权利要求7所述的方法，其中将所述螯合物和所述至少一种合成阳离子聚合物混合在一起，并且在将所述金属螯合物与至少一种聚合物混合在一起的至多10分钟内、优选地30秒至1分钟内将混合物添加至造纸工艺中。
9.根据权利要求1、2、4或8中任一项所述的方法，其中基于湿部原料中纤维素纤维的干重，所述金属螯合物的添加量为0.05-20磅/吨，优选地0.1-10磅/吨，更优选地3-5磅/吨。
10.根据权利要求1、2、4或8中任一项所述的方法，其中基于湿部原料中纤维素纤维的干重，所述合成阳离子聚合物的添加量为0.1-40磅/吨，优选地1-10磅/吨，更优选地2-8磅/吨。
11.根据权利要求1、2或4中任一项所述的方法，其中用喷涂机、凹印辊、喷墨机或印刷机添加所述金属螯合物和/或所述至少一种合成阳离子聚合物和/或金属螯合物合成聚合物混合物。
12.根据权利要求1、2、4或8中任一项所述的方法，其中所述湿部原料包含原生纤维素纤维材料、回收纤维、非木纤维或它们的任何组合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述纸是毛巾纸、薄纸、餐巾纸、多层板或衬纸/箱板。
14.根据权利要求1、2、4、8或13中任一项所述的方法，其中由于添加所述金属螯合物和所述至少一种合成阳离子聚合物，所述纸的湿拉伸和/或即时湿拉伸和/或永久湿拉伸和/或干拉伸和/或爆裂和/或STFI和/或刚度和/或内部结合和/或层粘合和/或环压和/或蜡粘和/或油墨试验和/或IGT和/或衰弱改善。
15.根据权利要求14所述的方法，其中由于添加所述金属螯合物或者所述金属螯合物与所述至少一种合成阳离子聚合物，所述纸的湿/干比提高至少2个百分点的湿/干比。
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